Forskere udvikler sikrere blybaseret perovskit-solcelle

Forskere ved Northern Illinois University og US Department of Energy's (DOE) National Renewable Energy Laboratory (NREL) i Golden, Colorado, rapporterer i dag (19. februar) i journalen Natur om et potentielt gennembrud i udviklingen af ​​hybride perovskit-solceller.

Betragtes som stigende stjerner inden for solenergi, perovskit-solceller omdanner lys til elektricitet. De er potentielt billigere og enklere at producere end traditionelle siliciumbaserede solceller og, i det mindste i lille skala i laboratoriemiljøer, har vist sammenlignelige effektivitetsniveauer. Men der er stadig vigtige udfordringer, før de kan blive en konkurrencedygtig kommerciel teknologi.

En stor udfordring er brugen af ​​bly. De fleste højtydende hybrid-perovskit-solceller indeholder vandopløseligt bly, giver anledning til bekymring over potentiel lækage fra beskadigede celler.

Anført af Tao Xu fra NIU og Kai Zhu fra NREL, et team af videnskabsmænd har udviklet en teknik til at binde det bly, der bruges til at fremstille perovskit-solceller, og minimere potentiel giftig lækage ved at påføre blyabsorberende film foran og bagpå solcellen.

"Blytoksicitetsproblemet har været et af de mest irriterende, last-mile-udfordringer i perovskit-solcelleområdet, " sagde Xu, en NIU-professor i kemi. "Vi tror, ​​vi har en meget lovende løsning på dette problem - og det kunne være en game-changer.

"I tilfælde af en beskadiget celle, vores enhed fanger størstedelen af ​​føringen, forhindrer det i at udvaske til grundvand og jord. De film, vi bruger, er uopløselige i vand."

Under forhold med alvorlig solcelleskade i laboratoriemiljøer, de blyabsorberende film sekvestrerede 96 % af blylækagen, sagde forskerne. Deres eksperimenter indikerer yderligere, at de blyabsorberende lag ikke har en negativ indvirkning på cellens ydeevne eller langsigtede driftsstabilitet.

Perovskit-solceller er så navngivet, fordi de bruger en klasse af krystalstrukturer, der ligner dem, der findes i mineralet kendt som perovskit. Den perovskit-strukturerede forbindelse i disse solceller er oftest et hybridt organisk-uorganisk blyhalogenid-baseret materiale.

Forskere begyndte at studere disse krystalstrukturer til brug i solceller for kun omkring et årti siden og har hurtigt øget deres solenergikonverteringseffektivitet. Mens traditionelle siliciumsolceller fremstilles med præcise processer ved brug af høje temperaturer, perovskiter kan fremstilles ved hjælp af stuetemperatur kemiske opløsninger.

Den nyudviklede "on-device sekvestreringstilgang" kan let inkorporeres med nuværende perovskite solcelle konfigurationer, sagde Xu.

En gennemsigtig blyabsorberende film påføres et ledende glas foran på solcellen. Sekvestreringsfilmen indeholder stærke blybindende phosphonsyregrupper, men hindrer ikke celleindfangning af lys. En billigere polymerfilm blandet med blychelaterende midler bruges på den bagerste metalelektrode, som ikke har behov for gennemsigtighed.

"Materialerne er hyldevare, men de blev aldrig brugt til dette formål, " sagde Xu. "Lys skal ind i cellen for at blive absorberet af perovskitlaget, og forsidefilmen fungerer faktisk som et antirefleksmiddel, forbedrer gennemsigtigheden en smule."

Test for blylækage omfattede hamring og knusning af frontglasset på 2,5 x 2,5 cm celler, og ridser bagsiden af ​​solcellerne med et barberblad, før du sænker dem i vand. Filmene kan absorbere langt størstedelen af ​​blyet i svært beskadigede celler på grund af vandindtrængning.

"Det er værd at bemærke, at den demonstrerede bly-sekvestreringstilgang også er anvendelig til andre perovskit-baserede teknologier såsom solid-state belysning, display- og sensorapplikationer, " sagde Zhu, seniorforsker ved NREL.